搜索热:345 无损检测
扫一扫 加微信
首页 > 新闻资讯 > 行业动态 > 消息正文
首页 > 新闻资讯 > 行业动态 > 消息正文
制备决定未来!超洁净石墨烯制备获系列进展
发布:Iron_MAN10   时间:2019/9/19 9:31:14   阅读:210 
分享到新浪微博 分享到腾讯微博 分享到人人网 分享到 Google Reader 分享到百度搜藏分享到Twitter

石墨烯因其优异的性质而被誉为“材料之王”,在诸多领域有着广阔的应用前景,但距离真正实现产业化还存在诸多问题和挑战。制备决定未来,高品质石墨烯薄膜的可控制备一直是学术界和业界关注的重点。化学气相沉积法(CVD)以其优良的可控性和可放大性被公认为最具前景的石墨烯薄膜制备方法,经过近十年的发展,虽然在单晶尺寸上取得了诸多突破性进展,但CVD石墨烯的性能和理想水平仍然有不小的差距,这一问题已经困扰石墨烯领域很久。

近期,刘忠范院士课题组与彭海琳教授课题组合作,首次揭示了CVD石墨烯的本征污染问题,提出气相反应调控的方法,分别使用泡沫铜辅助催化和含铜碳源实现了超洁净石墨烯的制备(Nature Commun. 2019, 10, 1912;J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 7670)。对于已存在本征污染的石墨烯薄膜,他们巧妙地使用二氧化碳对其进行刻蚀,而不引入额外缺陷,从而成功制备出大面积的超洁净石墨烯薄膜,该方法与普通CVD工艺完全兼容(Angew. Chem. 2019,10.1002/ange.201905672)。同时,他们探究了本征污染物与石墨烯之间的相互作用,发展了基于活性炭的界面力调控方法,成功实现了石墨烯的表面清洁(Adv. Mater. 2019, e1902978)。

石墨烯的本征污染物的消除也会大大降低转移引入的高聚物残留,因而具有优良的物理化学性质,创造了CVD石墨烯的一系列新的世界纪录:极高的迁移率(超过1000000 cm2/Vs)、极低的接触电阻(96 Ω μm)、极高的透光性(97.6%)等等。超洁净石墨烯相关的一系列成果为石墨烯制备领域开启了一个新的研究方向。
 

图1. 超洁净石墨烯优异的性质。(a)高的迁移率(b)低的接触电阻(c)高的透光性

下面分别介绍这四类超洁净石墨烯的制备方法。

一、泡沫铜辅助催化法制备超洁净石墨烯(Nature Commun. 2019, 10, 1912)

首次揭示了CVD过程中本征污染的问题,即高温下碳源裂解的副产物会落在石墨烯表面形成无定形碳污染物。作者利用高分辨的球差矫正透射电镜、针尖增强拉曼(TERS)以及原子力显微镜(AFM)等微观表征手段对石墨烯本征污染物的来源和组成进行了详细的研究,并普查了来自世界各地的CVD样品,证实了CVD样品表面污染物普遍存在,且主要来自于CVD高温生长过程。为解决这一问题,作者在CVD生长过程中加入泡沫铜辅助提高铜蒸汽含量,从而提高气相裂解催化的能力,将生成的副产物充分裂解随尾气排出体系,从而制备出洁净度高达99%的超洁净石墨烯薄膜。
 

图2 泡沫铜辅助法制备超洁净石墨烯

二、含铜碳源直接生长超洁净石墨烯 (J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 7670)

不同于泡沫铜,这篇JACS文章巧妙地选用含铜碳源醋酸铜代替甲烷,同样解决了表面污染的问题。由于醋酸铜碳源中同时含有了铜和碳,可以保证反应过程中铜蒸气的持续稳定供应和碳氢化合物的充分裂解,对于制备无定形碳污染物更少的超洁净石墨烯有着独特的优势。该工作不仅提供了一种制备超洁净石墨烯薄膜的新思路,而且对于石墨烯制备过程中的机理研究也有一定的参考价值和意义。
 

图3. 含铜碳源制备超洁净石墨烯

三、CO2气体选择性刻蚀法制备超洁净石墨烯(Angew. Chem. 2019,10.1002/ange.201905672)

基于石墨烯表面无定形碳污染物富含缺陷结构,故而有较高的化学反应活性的特点,作者选用二氧化碳这种弱氧化剂,成功实现了对石墨烯薄膜表面无定形碳污染物的高选择性刻蚀,而未对石墨烯结构造成额外的破坏。该方法对高温CVD生长的石墨烯薄膜直接进行原位高温处理,制备得到的超洁净石墨烯薄膜转移之后表面依然洁净,并且具有更加优异的光学和电学性质。同时,二氧化碳刻蚀法具有简单、温和、低成本、可放量的特点,也更加适合超洁净石墨烯薄膜的大面积低成本批量制备。
 

图4. 二氧化碳选择性刻蚀制备超洁净石墨烯

四、基于界面力调控的“魔力粘毛辊”清洁石墨烯表面(Adv. Mater. 2019, e1902978)

从生活中“粘毛辊”的使用中获得启示,作者发展了一种基于界面力调控的后处理表面清洁方法——“魔力粘毛辊”法,可有效地去除石墨烯表面的本征污染物,从而制备出大面积超洁净石墨烯,具有优良的电学性能,其霍尔迁移率高达500,000 cm2/V s,为CVD石墨烯的最高值。该方法巧妙地利用了活性炭对污染物的吸附作用,具有一定的普适性,甚至可以清洁转移过程引入的高聚物残留。将活性炭粘结做成滚轮,清洁效率更高,适用于超洁净石墨烯的规模化制备。
 

图5. “魔力粘毛辊”法制备超洁净石墨烯

文章链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09565-4
https://pubs_acs.gg363.site/doi/abs/10.1021/jacs.9b02068
https://onlinelibrary_wiley.gg363.site/doi/abs/10.1002/anie.201905672
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902978


来源:北京大学化学与分子工程学院
 
相关信息
   标题 相关频次
 北大刘忠范和彭海琳团队在超洁净石墨烯制备方向取得系列新进展
 2
  “网状的碳”是更快DNA测序的关键
 1
  哥廷根大学:石墨烯可提高超分辨率显微镜性能
 1
  国防科大打造史上最薄石墨烯灯泡,有望用于未来手机屏幕和芯片
 1
  碳家族再添新成员 由18个原子组成的环碳问世
 1
  我国首个石墨烯国家标准正式发布
 1
 "它"号称能秒杀OLED?
 1
 #薄膜周报# NASA航天器的新型保温“外衣”
 1
 #薄膜周报#单层二维冰相变研究获进展
 1
 #薄膜周报#厚度低于10nm的尼龙(聚酰胺)滤膜
 1
 #电子材料#首次发现微磁区导电,有望扩展磁存储空间
 1
 #电子材料周报#超晶格设计实现多铁性特征
 1
 #电子材料周报#电子高速公路,想象你的电脑可以被卷起来
 1
 #电子材料周报#浸涂技术开发新型纤维状发光二极管
 1
 #电子材料周报#看电子如何在新材料中“旅行”
 1
 #电子材料周报#史无前例的超导石墨烯薄片
 1
 #电子材料周报#芯片超材料助力量子计算机发展
 1
 #电子材料周报#有望实现光通路的硅基超材料
 1
 #国内材料周报#可塑性可调石墨烯类突触器件的实现
 1
 #国内材料周报#首次实现石墨烯单核控制形核和快速生长
 1
 #国内材料周报#自旋量子通道转换“入住”石墨烯分子条带
 1
 #纳米周报# 刷新单分子二极管的最高纪录
 1
 #纳米周报#神奇!石墨烯竟然和大脑碰出“爱情火花”?
 1
 #纳米周报#石墨烯生产新方法,有望实现半价生产
 1
 #纳米周报#源头治理:从光源控制光噪
 1
 #新能源周报#3D打印、石墨烯、新能源三者合体
 1
 #新能源周报#为光伏产业带来革命的新型纳米太阳能电池
 1
 #一周国内材料科研#济南大学研究出用于测定胰岛素的新型生物传感器
 1
 “白色石墨烯”可大幅提升陶瓷材料性能
 1
 “白石墨烯”与石墨烯配对制备超薄电子器件的新方法
 1
 “氮掺杂石墨烯量子点”可将二氧化碳转成液态燃料
 1
 “钢筋石墨烯”—— 100倍于钢材强度的超级材料面世
 1
 “魔角”石墨烯位居榜首
 1
 “三合一”石墨烯基太赫兹探测器问世
 1
 “石墨烯之父”又发现超级材料:或是半导体的未来
 1
 “水伏学”:水中“捕电”新途径
 1
 “新材料十三五规划”引爆石墨烯基防腐涂料产业
 1
 “新材料之王”诞生!比石墨烯更逆天的“硼烯”,带来了这些充满想象空间的应用
 1
 “新材料之王”强悍登场!华为推耐高温石墨烯基锂电池
 1
 “新材料之王”石墨烯为什么在国内沦落为“工业味精”
 1
 “新材料之王”石墨烯研究获重大突破 将用于电网防腐抗冰
 1
 “褶皱”设计助力表面增强拉曼光谱的灵敏度
 1
 “织纹”结构金属氧化物纳米薄膜问世
 1
 ”缺陷”石墨烯造就超高效燃料电池
 1
 《ACS Nano》超硬耐磨自修复石墨烯涂层
 1
 《Science》:揭示石墨烯中的量子临界相对论电浆现象
 1
 《Science》重磅!科学家首次在非金属表面直接合成石墨烯
 1
 《Science》重磅!在室温下观察到电子在石墨烯表面“冲浪”!
 1
 《先进功能材料》:西安交大奠定规模化制备高质量石墨烯基础
 1
 《自然》《科学》一周(10.12-10.18)材料科学前沿要闻
 1